尤 亞

(山西華潤(rùn)聯(lián)盛能源投資有限公司，山西省呂梁市，033000)

一般情況下，大多數(shù)礦井采用下行開采方式開采煤層群；而在特定的地質(zhì)和開采技術(shù)條件下，正常順序開采產(chǎn)量的增加和建設(shè)速度受到了限制，采用上行開采方式有利于保證礦井穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、短期內(nèi)提高礦井經(jīng)濟(jì)效益，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。由于下煤層開采后，原巖應(yīng)力狀態(tài)被打破，在采動(dòng)影響的作用下，上煤層將發(fā)生不同程度變形與破壞，影響上行開采的安全進(jìn)行，給生產(chǎn)帶來(lái)一定困難。因此，研究近距離煤層群上行開采覆巖變形特征、分析下煤層開采活動(dòng)對(duì)上煤層的影響作用，對(duì)上行開采可行性判定具有理論指導(dǎo)意義。

本文以南山煤礦近距離煤層群地質(zhì)開采條件為工程背景，采用理論分析和數(shù)值模擬手段，分析上行開采過(guò)程中采場(chǎng)覆巖和上部煤層變形破壞特征，并以此分析南山煤礦上行開采的可行性，研究結(jié)果將為類似礦井提供依據(jù)和借鑒。

1 地質(zhì)與開采技術(shù)條件

南山煤礦位于河?xùn)|煤田中段，井田面積18.16 km2，生產(chǎn)規(guī)模為1.2 Mt/a。井田大致為一寬緩向斜構(gòu)造，井田內(nèi)可采煤層4層，自上而下依次為3#、5#、6#、10#煤層，煤層傾角5°～7°，各可采煤層及其頂?shù)装鍡l件見表1。

鑒于3#、5#、6#煤層厚度小，10#煤層厚度大的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)提出先期開采6#和10#煤層、后期開采3#和5#煤層的上行開采順序。由于各可采煤層厚度變化范圍較大，需進(jìn)一步明確研究范圍內(nèi)各煤層賦存特征。結(jié)合礦井整合前后各煤層開采情況及儲(chǔ)量分布特征，確定了重點(diǎn)開采范圍，并以煤層厚度與煤層間距厚度為指標(biāo)，進(jìn)行開采范圍區(qū)域劃分，如圖1所示。各開采區(qū)域內(nèi)可采煤層賦存特征見表2。

圖1 南山煤礦重點(diǎn)開采范圍區(qū)域劃分

表1 井田范圍內(nèi)可采煤層特征

表2 各開采區(qū)域內(nèi)可采煤層賦存特征

開采范圍內(nèi)擬采用綜合機(jī)械化一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板。

2 3#、5#煤層上行開采可行性分析

根據(jù)南山煤礦3#、5#、6#和10#煤層之間的賦存特征，采用比值判別法和“三帶”判別法進(jìn)行上行開采可行性評(píng)估，分析6#、10#煤層聯(lián)合開采后對(duì)3#、5#煤層的影響。

2.1 比值判別法

比值判別法認(rèn)為，上行開采是否可行主要取決于上下兩層煤之間的層間距與下部所采煤層的厚度之比，即采動(dòng)影響倍數(shù)K。我國(guó)煤礦上行開采的實(shí)踐結(jié)果證明，在下部開采多個(gè)煤層的情況下：當(dāng)上、下煤層之間為堅(jiān)硬巖層時(shí)，K≥6.3；為中硬巖層時(shí)，K=6.0；為軟弱巖層時(shí)，K≥5.5。

由于不同區(qū)域內(nèi)可采煤層厚度、煤層間距厚度均不相同，借助sufer軟件，可得到整個(gè)井田內(nèi)采動(dòng)影響倍數(shù)K分布圖，如圖2所示。

由圖2可以看出，在開采區(qū)域Ⅰ范圍內(nèi)，6#、10#煤層對(duì)3#煤層采動(dòng)影響倍數(shù)K為12.4～14.2，6#、10#煤層對(duì)5#煤層采動(dòng)影響倍數(shù)K為7.6～9.4；在開采區(qū)域Ⅱ范圍內(nèi)，6#、10#煤層對(duì)3#煤層采動(dòng)影響倍數(shù)K為12.6～16.2，6#、10#煤層對(duì)5#煤層采動(dòng)影響倍數(shù)K為8.0～10.2。

圖2 南山煤礦下煤層采動(dòng)影響倍數(shù)分布圖

由此判定，6#、10#煤層開采活動(dòng)對(duì)3#、5#煤層影響程度較小，3#、5#煤層均可進(jìn)行上行開采。

2.2 “三帶”判別法

“三帶”判別法認(rèn)為，當(dāng)上煤層位于下煤層垮落帶范圍之內(nèi)時(shí)，上煤層結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，不可進(jìn)行上行開采；當(dāng)上煤層位于下煤層垮落帶之上、裂隙帶之下時(shí)，上煤層結(jié)構(gòu)為發(fā)生較大破壞，采取一定技術(shù)措施后可進(jìn)行上行開采；當(dāng)上煤層位于下煤層裂隙帶范圍之上時(shí)，上煤層基本未發(fā)生破壞，可直接進(jìn)行上行開采。由于南山煤礦各煤層間巖層強(qiáng)度低，6#、10#煤層開采形成的垮落帶、裂隙帶高度采用如下公式計(jì)算：

或者

(3)

式中：Hk——垮落帶高度，m；

Hd——裂隙帶高度，m；

∑M——累計(jì)采厚，其中單層采厚1～3m，累計(jì)采厚不超過(guò)15m。

代入相關(guān)參數(shù)，計(jì)算可得：在開采區(qū)域Ⅰ范圍內(nèi)，6#煤層頂板垮落帶高度Hk=0.89～4.12m，裂隙帶高度Hd=7.55～16.53m，10#煤層頂板垮落帶高度Hk=6.82～9.89m，裂隙帶高度Hd=20.94～29.04m；在開采區(qū)域Ⅱ范圍內(nèi)，6#煤層頂板垮落帶高度Hk=0.89～4.12m，裂隙帶高度Hd=7.55～16.53m；10#煤層頂板垮落帶高度Hk=6.59～9.82m，裂隙帶高度Hd=20.62～28.94m。

將垮落帶高度和裂隙帶高度計(jì)算結(jié)果與煤層間距作對(duì)比可知，在各開采區(qū)域內(nèi)，3#煤層和5#煤層均處于下煤層頂板裂隙帶之上，受下煤層開采活動(dòng)的影響程度較小。

3 6#、10#煤層采動(dòng)影響數(shù)值模擬

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，采用數(shù)值模擬手段分析下煤層6#、10#煤層聯(lián)合開采后覆巖變形及對(duì)3#、5#煤層的影響。

3.1 模型建立

模擬采用UDEC數(shù)值軟件，根據(jù)圖1和表2中的重點(diǎn)開采范圍分區(qū)情況，基于M-C準(zhǔn)則，建立兩個(gè)模型進(jìn)行分析，各模型的相關(guān)數(shù)見表3。

各模型兩側(cè)各留100m作保護(hù)煤柱，實(shí)際開采尺寸為400m；在3#煤層與5#煤層各設(shè)置了1條監(jiān)測(cè)線，每隔10m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)模型中各布置120個(gè)測(cè)點(diǎn)；考慮到模型尺寸，模擬6#煤層、10#煤層聯(lián)合開采，其中6#煤層工作面超前10#煤層工作面50m。綜合考慮地表起伏狀況，模型的整體情況如圖3所示。

表3 數(shù)值計(jì)算模型參數(shù) /m

圖3 南山煤礦上行開采數(shù)值模型圖

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 下煤層開采后覆巖垮落與圍巖變形

下煤層6#、10#煤層開挖后，覆巖垮落與裂隙分布情況如圖4所示。

圖4 南山煤礦下煤層開采后覆巖垮落與裂隙分布

由圖4可知，在開采區(qū)域Ⅰ范圍內(nèi)，6#煤層頂板巖層垮落高度為5.11m，裂隙發(fā)育高度為11.81m，10#煤層頂板巖層垮落高度為12.34m，裂隙發(fā)育高度為27.26m；在開采區(qū)域Ⅱ范圍內(nèi)，6#煤層頂板巖層垮落高度為5.42m，裂隙發(fā)育高度為12.33m，10#煤層頂板巖層垮落高度為11.82m，裂隙發(fā)育高度為26.48m；3#、5#煤層均位于下煤層6#、10#煤層聯(lián)合開采形成的裂隙帶范圍之上。

兩模型中6#煤層、10#煤層垮落帶、裂隙帶范圍與頂板巖層關(guān)系位置如圖5所示。

圖5 6#、10#煤層頂板垮落帶、裂隙帶位置圖

由圖5可知，在開采區(qū)域內(nèi)，6#煤層頂板巖層垮落帶分布于L5石灰?guī)r下部，裂隙帶發(fā)育至K3粗砂巖中下部停止；10#煤層頂板巖層垮落帶分布于L1石灰?guī)r下部，裂隙帶發(fā)育至K2石灰?guī)r中下部停止。結(jié)合圖4的模擬結(jié)果可知，隨著開采活動(dòng)的進(jìn)行，L1石灰?guī)r、K2石灰?guī)r、L5石灰?guī)r、K3粗砂巖的破斷程度小，這4層承載了上覆巖層的大部分壓力，上覆巖層未發(fā)生大面積垮落，整體以彎曲變形為主；L1石灰?guī)r、L5石灰?guī)r控制了頂板垮落帶的范圍，K2石灰?guī)r、K3粗砂巖則抑制了覆巖裂隙發(fā)育，對(duì)3#、5#煤層實(shí)現(xiàn)上行開采起到了關(guān)鍵控制作用。

3.2.2下煤層開采后3#、5#煤層位移與結(jié)構(gòu)變形

統(tǒng)計(jì)兩模型6#、10#煤層開挖后，3#、5#煤層垂直位移與傾斜值，如圖6所示。

圖6 下煤層采后3#、5#煤層的變形特征

由圖6可知，6#、10#煤層聯(lián)合開采后，模型Ⅰ、模型Ⅱ中3#煤層最大下沉值分別為1.51m、1.42m，5#煤層最大下沉值分別為1.88m、1.69m，兩煤層下沉峰值主要集中模型中部；3#煤層在下煤層切眼處和停采線處區(qū)域內(nèi)的傾斜值波動(dòng)大，模型Ⅰ、模型Ⅱ中最大傾斜值分別為27.32mm/m、26.42mm/m； 5#煤層傾斜值波動(dòng)程度大的范圍也集中在下煤層切眼處和停采線處，模型Ⅰ、模型Ⅱ中最大傾斜值分別為37.84mm/m、35.16mm/m。

考慮到下煤層切眼處和停采線處3#、5#煤層下沉位移變化較大，移動(dòng)變形嚴(yán)重，應(yīng)進(jìn)一步考慮煤層結(jié)構(gòu)上的連續(xù)性。

煤層的切眼處和停采線處3#煤層與5#煤層的結(jié)構(gòu)形態(tài)模擬結(jié)果示意圖如圖7所示。

由圖7可知，在下煤層切眼處，兩模型中3#煤層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)小幅度彎曲，5#煤層結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)斷裂、臺(tái)階下沉等現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)連續(xù)性好；在下煤層停采線處，兩模型中3#、5#煤層結(jié)構(gòu)形態(tài)與切眼處，3#煤層結(jié)構(gòu)小幅度彎曲，5#煤層結(jié)構(gòu)彎曲明顯，也均未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂、臺(tái)階下沉等現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)上也均保持較好連續(xù)性。

圖7 下煤層采后3#、5#煤層結(jié)構(gòu)形態(tài)

綜上分析，南山煤礦下煤層6#、10#煤層聯(lián)合開采后，采用上行開采方式開采3#、5#煤層具有可行性，但需采用相關(guān)安全技術(shù)措施，以保證礦井安全高效生產(chǎn)。

4 結(jié)論

本文以南山煤礦地質(zhì)條件為研究背景，采用理論分析和數(shù)值模擬手段，對(duì)該礦井近距離煤層群上行開采可行性進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

(1)比值判別法和“三帶”判別法計(jì)算認(rèn)為：6#、10#煤層聯(lián)合開采對(duì)3#、5#煤層的采動(dòng)影響倍數(shù)分別為12.4～16.2、7.6～10.2，3#、5#煤層均位于6#、10#煤層采動(dòng)裂隙帶之上，可直接進(jìn)行上行開采。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，6#、10#煤層頂板中的L1石灰?guī)r、K2石灰?guī)r、L5石灰?guī)r、K3粗砂巖有效控制了兩煤層采動(dòng)影響，抑制了裂隙發(fā)育，6#煤層頂板中裂隙發(fā)育高度約為12.34m，未波及3#、5#煤層；下煤層開采結(jié)束后，3#、5#煤層結(jié)構(gòu)連續(xù)性好，未出現(xiàn)斷裂、臺(tái)階下沉等現(xiàn)象，兩煤層最大下沉值分別為1.42～1.51m、1.69～1.88m，最大傾斜值分別為26.42～27.32mm/m、35.16～37.84mm/m。

(3)綜合理論分析和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，南山煤礦下煤層6#、10#煤層聯(lián)合開采后，3#、5#煤層均可直接進(jìn)行上行開采。